AI、人工智能基础: 模型剪枝的概念与实践（PyTorch版）

胡说八道:

各位观众老爷，大家好，我是诗人啊_，今天和各位分享模型剪枝的相关知识和操作，一文速通～
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正经标题：模型剪枝理论入门及 PyTorch API 实战
此文讲解 torch.nn.utils.prune 模块的使用，模型剪枝的执行步骤请看 ↓↓↓↓↓

模型剪枝的概念与实践（PyTorch版）

前言

深度神经网络的大型预训练模型往往依赖庞大的参数量实现SOTA效果，但生物神经网络却通过稀疏连接完成复杂任务。模型剪枝正是受此启发，通过将稠密连接转化为稀疏连接，在保持性能的前提下压缩模型，本文基于PyTorch详细介绍模型剪枝的概念与实操。

一、什么是模型剪枝？

• 核心思想：仿照生物神经网络的稀疏连接特性，移除冗余参数或结构，实现模型压缩与加速。
• 本质：将稠密网络转化为稀疏网络，在精度损失可接受的范围内减少参数量和计算量。
• PyTorch支持：需使用torch.nn.utils.prune模块，要求PyTorch版本≥1.4.0，支持多种剪枝方式：
  • 特定网络模块的剪枝
  • 多参数模块的剪枝
  • 全局剪枝
  • 用户自定义剪枝

二、剪枝的基本原理（以LeNet为例）

2.1 准备工作

先定义经典LeNet网络作为示例：

import torch
from torch import nn
import torch.nn.utils.prune as prune
import torch.nn.functional as Fdevice = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")class LeNet(nn.Module):def __init__(self):super(LeNet, self).__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 3)  # 输入1通道，输出6通道，3x3卷积核self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 3)self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)self.fc2 = nn.Linear(120, 84)self.fc3 = nn.Linear(84, 10)def forward(self, x):x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)x = x.view(-1, int(x.nelement() / x.shape[0]))x = F.relu(self.fc1(x))x = F.relu(self.fc2(x))x = self.fc3(x)return xmodel = LeNet().to(device=device)

2.2 剪枝核心机制：掩码（Mask）

剪枝通过掩码张量实现参数筛选，核心逻辑如下：

1. 原始参数（如weight）被拆分为：
   • weight_orig：保留原始参数值（可训练）
   • weight_mask：掩码张量（0表示剪枝移除，1表示保留）
2. 实际使用的参数weight = weight_orig * weight_mask（被掩码为0的参数失效）
3. 剪枝后，weight从可训练参数（Parameter）变为普通属性（Attribute）

2.3 单模块剪枝示例

以conv1层的weight参数为例，执行随机非结构化剪枝：

module = model.conv1
# 对conv1的weight参数剪枝30%
prune.random_unstructured(module, name="weight", amount=0.3)

剪枝后参数变化：

• named_parameters()中weight变为weight_orig（保留原始值）
• named_buffers()中新增weight_mask（掩码张量）
• module.weight为weight_orig * weight_mask的结果（含0值的剪枝后参数）

# 剪枝后参数查看
print("参数列表：", list(module.named_parameters()))  # 含weight_orig、bias
print("掩码列表：", list(module.named_buffers()))      # 含weight_mask
print("剪枝后weight：\n", module.weight)               # 含0值的有效参数

2.4 剪枝永久化（remove操作）

剪枝默认是临时的，执行prune.remove()可将掩码效果永久应用到参数：

# 永久化剪枝（无法撤销）
prune.remove(module, 'weight')

永久化后变化：

• weight_orig消失，weight恢复为可训练参数（值 = 剪枝后的有效参数）
• weight_mask被移除（无需保留）

三、常见剪枝方式实战

3.1 特定模块剪枝

针对单个模块的特定参数（如weight或bias）剪枝，支持多种策略：

剪枝函数	作用	适用场景
random_unstructured	随机移除单个参数	非结构化剪枝（单权重）
l1_unstructured	移除L1范数最小的单个参数	非结构化剪枝（优先移除小值）
ln_structured	移除Lₙ范数最小的结构化单元	结构化剪枝（通道/神经元）

示例：对bias参数执行L1剪枝

# 对conv1的bias参数剪枝3个（绝对值最小的3个）
prune.l1_unstructured(module, name="bias", amount=3)
print("剪枝后bias：", module.bias)  # 含0值的剪枝后偏置

3.2 多参数模块剪枝

对模型中多个模块批量剪枝（如所有卷积层/全连接层）：

# 对所有卷积层和全连接层分别剪枝
for name, module in model.named_modules():if isinstance(module, nn.Conv2d):# 卷积层：L1非结构化剪枝20%prune.l1_unstructured(module, name="weight", amount=0.2)elif isinstance(module, nn.Linear):# 全连接层：L2结构化剪枝40%prune.ln_structured(module, name="weight", amount=0.4, n=2, dim=0)

效果：

• 所有卷积层的weight均被剪枝20%
• 所有全连接层的weight均被剪枝40%
• 每个模块独立生成weight_orig和weight_mask

3.3 全局剪枝（Global Pruning）

局部剪枝（单模块/多模块）要求每层剪枝比例固定，而全局剪枝以整个网络为单位分配剪枝比例（总剪枝量固定，每层比例自适应）。

示例：全局剪枝20%参数

# 定义参与剪枝的模块和参数
parameters_to_prune = ((model.conv1, 'weight'),(model.conv2, 'weight'),(model.fc1, 'weight'),(model.fc2, 'weight'),(model.fc3, 'weight')
)# 全局剪枝20%（总参数量的20%）
prune.global_unstructured(parameters_to_prune,pruning_method=prune.L1Unstructured,amount=0.2
)

特点：

• 总剪枝比例固定（如20%），但每层剪枝比例不同
• 重要性低的层（参数值小）会被剪枝更多

# 查看各层剪枝比例
print("conv1稀疏度：{:.2f}%".format(100 * torch.sum(model.conv1.weight == 0) / model.conv1.weight.nelement()
))
print("全局总稀疏度：{:.2f}%".format(100 * (torch.sum(model.conv1.weight == 0) + torch.sum(model.conv2.weight == 0) + ...) / (model.conv1.weight.nelement() + model.conv2.weight.nelement() + ...)
))

3.4 用户自定义剪枝

通过继承BasePruningMethod实现自定义剪枝规则，只需重写__init__和compute_mask方法。

示例：每隔一个参数剪枝一个（50%比例）

class MyPruningMethod(prune.BasePruningMethod):PRUNING_TYPE = "unstructured"  # 非结构化剪枝（单参数）def compute_mask(self, t, default_mask):mask = default_mask.clone()# 自定义规则：每隔一个参数剪枝一个（索引为偶数的置0）mask.view(-1)[::2] = 0return mask# 封装为剪枝函数
def my_unstructured_pruning(module, name):MyPruningMethod.apply(module, name)return module# 对fc3的bias参数应用自定义剪枝
my_unstructured_pruning(model.fc3, name="bias")
print("自定义剪枝掩码：", model.fc3.bias_mask)  # 0和1交替出现

四、剪枝模型的序列化

剪枝后的模型状态字典（state_dict）会保留：

• 原始参数：weight_orig、bias_orig
• 掩码张量：weight_mask、bias_mask

# 剪枝前后状态字典对比
print("剪枝前：", model.state_dict().keys())
# 执行剪枝...
print("剪枝后：", model.state_dict().keys())  # 含orig和mask

总结

1. 核心逻辑：通过掩码张量筛选参数，实现模型稀疏化
2. 关键操作：单模块剪枝→多模块批量剪枝→全局剪枝→自定义剪枝
3. 实用技巧：
   • 非结构化剪枝（单权重）适合压缩模型，结构化剪枝（通道/神经元）适合加速推理
   • 剪枝后建议微调模型，恢复精度损失
   • 永久化剪枝（remove）可减小模型存储体积

通过合理的剪枝策略，可在保持模型性能的同时显著降低参数量和计算成本，是模型部署的重要优化手段。

我是诗人啊_程序员，致力于分享人工智能方面的知识，近期 NLP 自然语言处理系列文章发布中，如果感兴趣，来个关注呗～